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美國研究員用氧化石墨烯片“紡出”強(qiáng)韌碳纖維

近日，美國萊斯大學(xué)的研究人員用大塊的氧化石墨烯薄片為基本原材料，“紡織”出了強(qiáng)韌的碳纖維，當(dāng)承受拉力時，其打結(jié)處與纖維的其他部分一樣不易被拉斷，輕型飛機(jī)、防彈衣面料等都可以用這種碳纖維來制造以增加強(qiáng)度。該研究成果8日發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志網(wǎng)絡(luò)版上。
　　大部分纖維在受到拉力時，打結(jié)的地方極有可能出現(xiàn)斷裂，但新型碳纖維的獨特之處就在于結(jié)頭也非常強(qiáng)韌，用研究人員的話說就是，展示出了“100%的結(jié)子效率”。“看到這一點非常奇怪，”萊斯大學(xué)化學(xué)家詹姆斯·圖爾說，“結(jié)頭和纖維的其他部分一樣強(qiáng)韌，這種情況以前從未在碳纖維或者聚合物纖維上出現(xiàn)過。”
　　這要多虧萊斯大學(xué)幾年前申請的一項專利：利用環(huán)境友好工藝制造具有獨特性能的氧化石墨烯片。它們的平均直徑為22微米，相當(dāng)于人類發(fā)絲寬度的四分之一，但與目前用于制造碳纖維的石油基瀝青微粒相比，卻算得上龐然大物�！盀r青微粒只有2納米大小，我們的氧化石墨烯片要大上約1萬倍�！毖芯空撐牡牡谝蛔髡�、萊斯大學(xué)研究生項長勝(音譯)說。
　　與瀝青微粒一樣，這些石墨烯片靠弱的范德華力聚攏在一起；但不同的是，只有原子厚的石墨烯片擁有極大的表面積，被拉成纖維后，彼此依附排列，如同魚身上的鱗片一樣。項長勝說，結(jié)頭處的強(qiáng)度取決于纖維的彎曲系數(shù)，“由于氧化石墨烯的彎曲系數(shù)非常低，好似結(jié)頭根本不存在”。
　　圖爾說，工業(yè)碳纖維這種強(qiáng)度類似鋼的超輕材料應(yīng)用范圍十分廣泛，從棒球棍到自行車再到轟炸機(jī)，不一而足，但幾十年來其性能卻沒有多大改善，原因在于其中應(yīng)用到的化學(xué)條件已經(jīng)接近極限。而這種新型碳纖維是在室溫條件下“紡織”而成的，并且表現(xiàn)出了令人驚嘆的抗張強(qiáng)度和彎曲系數(shù)，在經(jīng)過高溫退火處理后有可能變得更強(qiáng)韌。
　　項長勝說，按照制造碳纖維的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將新型纖維置于2100攝氏度的高溫下煅燒，有可能會消除打結(jié)強(qiáng)度，但應(yīng)該可以極大地提高材料的抗張強(qiáng)度，這對于制造新型復(fù)合材料非常適合。
　　該團(tuán)隊還用尺度更小的9微米氧化石墨烯薄片紡成了另一種纖維。由于制造工藝使薄片的排列更加優(yōu)化，即使在室溫條件下，所得到的纖維的強(qiáng)度也非常接近商業(yè)產(chǎn)品。

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